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Avances en Mecánica Cuántica experimental

28/04/2018 22:20 0 Comentarios Lectura: ( palabras)

Tres resultados recientes nos dicen que es posible mantener el entrelazamiento cuántico para sistemas realmente grandes.

Una de las propiedades más extrañas de la Mecánica Cuántica (MC), y que hemos visto por estas páginas en varias ocasiones, es la del entrelazamiento cuántico.

Se puede preparar el estado de dos partículas de tal modo que se pueden enviar en sentidos opuestos y aún así están "conectadas", es decir entrelazadas. Si una de ellas es medida y su estado cuántico colapsa hacia uno de sus posibles estados finales, entonces el estado de la otra partícula queda determinado instantáneamente.

Aunque este mecanismo no sirve para enviar información a mayor velocidad que la luz, por lo que no se viola la causalidad relativista, a Albert Einstein le parecía una aberración, entre otras cosas porque cuál de las partículas colapsa la primera depende del movimiento relativo del observador. Por eso dijo que era una "spooky action at a distance." Al fenómeno se le conoce como paradoja EPR (por Einstein, Podolsky y Rosen).

Desde entonces se ha podido demostrar experimentalmente que, por muy extraño que parezca, el fenómeno es real. Se ha podido comprobar para fotones o electrones, por ejemplo. A veces separados por kilómetros de distancia, incluso entre tierra y un satélite.

Es más fácil aceptar el fenómeno si este se ve a luz de la teoría cuántica campos. El espacio estaría llenos de todos los estados cuánticos posibles. Las partículas no serían más que excitaciones de esos campos. Como el campo es un ente extenso que llena todo el espacio, que dos partículas de ese campo estén correlacionadas a distancia no resulta tan extraño.

El entrelazamiento cuántico es extremadamente frágil. Una partícula, incluso un átomo, son objetos muy pequeños y es relativamente "fácil" apantallar ahora el delicado estado cuántico del ruidoso mundo exterior y evitar con ello la decoherencia. Hasta ahora sólo se había observado el fenómeno en partículas como fotones y electrones o átomos. Aunque también se había observado recientemente en circuitos superconductores.

Ahora tres estudios nos dicen que el fenómeno no es sólo posible con partículas, sino con grandes conjuntos de partículas, incluso a nivel mesoscópico en el que el sistema es casi visible a simple vista.

Uno de los grupos de físicos, liderado por Philipp Treutlein (Universidad de Basilea, Suiza), ha realizado la primera observación de la paradoja EPR para un grupo de partículas. En concreto en su sistema intervienen varios cientos de átomos a la vez.

El montaje consiste en el típico sistema de enfriamiento por láser que permite rebajar la temperatura de los átomos hasta milmillonésimas de grado por encima del cero absoluto. A esa temperatura la decoherencia tarda en tener efecto y los átomos se comportan como partículas cuánticas en lo que se conoce como condensado de Bose-Einstein. En un condensado de este tipo los átomos chocan unos con otros de tal modo que sus espines terminan estando correlacionados.

En este caso, las imágenes de alta resolución permitían ver la correlación de espines entre regiones separadas del condensado y, a la vez, localizar con precisión la posición de los átomos individuales una vez se da el colapso.

Entonces, los investigadores midieron el spin en una región separada del condensado, por lo que colapsaron su estado superpuesto hacia uno en concreto, y comprobaron que el estado en otras regiones quedaba determinado según la predicción de la MC. Los resultados de medidas en dos regiones separadas estaba tan fuertemente correlacionados, lo que permitió demostrar la paradoja EPR en este sistema.

No hace falta decir que este tipo de experimentos no son sencillos y que se deben realizar muchos de ellos para establecer este tipo de afirmaciones, que siempre serán afirmaciones estadísticas, pero según lo predicho por la MC.

"Es fascinante observar semejante fenómeno fundamental de la física cuántica en sistemas tan grandes", dice Matteo Fadel

Además del valor teórico del descubrimiento, los autores especulan con las posibles aplicaciones prácticas del resultado. De este modo, se podría usar el resultado para crear sensores atómicos y métodos de imagen para campos electromagnéticos.

El segundo resultado proviene del grupo de Simon Gröblacher (Universidad de Delf, Holanda) y se basa en dos láminas de silicio de 10 micras de largo (el tamaño de una bacteria) que pueden oscilar de una manera similar a las cuerdas de una guitarra. Un sistema láser de iluminación por fibra óptica consigue reducir la temperatura del sistema hasta cerca del cero absoluto. Otros pulsos láser consiguen transferir la suficiente energía como para que vibren adecuadamente.

La medida de la luz reflejada por el sistema permite verificar que esta energía transferida, y traducida a energía de vibración, era compartida por ambos dispositivos y deducir que tenían sus estados entrelazado. En este caso pudieron mantener la coherencia cuántica por una fracción de segundo. Este tiempo tan corto es la debilidad de este montaje experimental, pero se ve compensado con una medidas muy robustas.

En este caso, como ambas laminillas vibran a la misma frecuencia según les da la luz, los investigadores especulan que podría usarse en sistemas de comunicación por fibra óptica. Según ellos, dada la compatibilidad con los sistema actuales, algo así facilitaría la implantación de la Internet cuántica, que permitiría transmitir información de forma segura entre computadores una vez falle RSA por el advenimiento de los computadores cuánticos.

El tercer resultado proviene de un grupo internacional de físicos dirigido por Mika Sillanpää (Universidad Aalto, Finlandia). En este caso, el sistema es una lámina vibrante de aluminio sobre un substrato de silicio en lo que se conoce como "tambor de Schrödinger". El sistema es increíblemente masivo comparado con los sistemas de partículas o incluso con el condensado de antes, pues tiene un tamaño similar al grosor de un cabello humano.

Los investigadores dispusieron dos de estos tambores sobre el mismo substrato. La vibración de estos tambores se consigue en este caso gracias a su interacción con un circuito de microondas superconductor. La eliminación de todo tipo de ruido es esencial. Los campos electromagnéticos en el circuito se usan para absorber las alteraciones térmicas y dejar sólo las vibraciones cuánticas. Además, el dispositivo se encuentra cerca del cero absoluto de temperatura. De nuevo se trata de evitar o retrasar la decoherencia cuántica de y tal modo que el entrelazamiento persista durante el periodo más largo, que en este caso es de media hora. Este tiempo tan inmenso es la ventaja de este experimento y la inseguridad de las medidas su punto débil.

Un conjunto de pulsos de microondas midieron el movimiento vibratorio de los tambores y el análisis de los datos mostró que los tambores compartían el mismo estado cuántico de tal modo que estaban entrelazados.

El resultado demuestra que es posible tener un control sobre grandes objetos cuánticos en los que se pueden generar y estabilizar estados exóticos.

Este grupo de investigadores intentará en el futuro teletransportar estados de vibración de un sitio a otro una distancia arbitraria. Aunque no hay que confundir este teletransporte de estados con lo que aparece en series de ciencia ficción como Star Trek.

De nuevo, el resultado no sólo sirve para estudiar la física a nivel fundamental, además puede servir para nuevos tipos de sensores, incluidos los que puedan medir la gravedad con exquisita precisión, que incluiría la medida de ondas gravitacionales.

La pregunta obvia en esta cuestión es hasta dónde se pueden escalar este tipo de sistemas, es decir cómo de grandes pueden ser.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com

Fuentes y referencias:

Artículo original 1.

Artículo original 2.

Artículo original 3.

Foto 1: University of Basel, Department of Physics.

Foto 2: Aalto University/Petja Hyttinen & Olli Hanhirova, ARKH Architects.


Sobre esta noticia

Autor:
Neofronteras (1435 noticias)
Fuente:
neofronteras.com
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Tipo:
Reportaje
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